基于Geomagic Design Direct的正逆向混合建模创新设计*

王　乔，成思源，杨雪荣，张湘伟，吕　瑟

(广东工业大学 机电工程学院，广州　510006)



基于Geomagic Design Direct的正逆向混合建模创新设计*

王乔，成思源，杨雪荣，张湘伟，吕瑟

(广东工业大学 机电工程学院，广州510006)

摘要：混合建模设计是正向设计与逆向设计的结合，提出了一种基于Geomagic Design Direct软件的正逆向混合建模的方法。通过数据采集、点云预处理、曲面重构，然后编辑曲面、实体特征造型以及参数化修改获得最终CAD模型。以游戏手柄模型为例，应用Geomagic Design Direct软件的强大功能对零件点云数据进行混合建模创新设计，实现了游戏手柄的快速还原以及对产品进行第二次创新。实验结果表明，通过Geomagic Design Direct软件实现混合建模技术，能高效的对原始模型进行创新设计。

关键词：逆向工程；混合建模；创新设计

0引言

随着数字化时代的到来，使我们的机械设计制造领域进入了一个不同以往的发展阶段，人们对产品的需求也进入到了个性化的阶段，产品生命周期大幅减少，更新换代更加频繁。这就要求我们必须从设计研发到推出产品的期间提高效率。传统的设计制造方法以正向设计为主，但并不能满足当代的需求，将正向设计和逆向设计有机的结合起来已成为设计研发领域的必然趋势[1]。

逆向设计和正向设计方法各有所长，逆向设计优势在于测量数据点的强大处理功能和复杂自由曲面的设计，一般逆向软件都提供了对自由曲面的重构、编辑修改等功能，正向设计优势在于特征造型和实体造型，对零件特征的编辑修改比较方便。复杂产品外壳常常既带有复杂曲面，又包含一些简单特征，要通过单一的逆向设计或正向设计方法都难以实现。为此，需要把逆向设计和正向设计的优势结合起来，即采用正逆向混合建模技术，对现有产品进行第二次创新[2]。

1正逆向建模

1.1逆向工程与正向工程

逆向设计也称作逆向工程，通常是根据正向设计概念所产生的产品原始模型或者已有产品来进行改良，基本方法是将一个实体物体进行数据的扫描然后进行三维重构并进行再设计，反向推出产品的设计数据[3]。逆向工程运用于设计与制造领域是必然的发展趋势[4]。而基于点云的曲面重构技术的研究与发展是逆向工程实现的基石，是至关重要的环节。逆向建模流程如图1所示。

图1　逆向工程流程

正向开发流程一般是设计师根据项目策划进行概念设计和效果图制作，进行产品总体草图布置，从而制作产品模型。从产品的概念设计到生成数字化模型，再到设计评估，其中设计如果通过评估即可制造和检测，如没通过，在概念设计或者所设计的数字化模型基础上进行改进，再进行设计评估，直到满足工程要求。这是一个从未知到已知，从抽象到具体的过程。正向建模流程如图2所示。

图2　正向工程流程

1.2正逆向混合建模

混合设计即正向设计和逆向设计地结合，从测量数据中提取出可以重新进行参数化设计的特征及设计意图，进行再设计，完成 CAD 模型[5]。目前，混合建模大致分为三种：①基于特征与自由形状的反求建模方法的混合。②基于截面线与基于面的曲面重建方法的混合③几何形状创建过程中曲线曲面的特征形式表达与NURBS形式表达的混合[6]。

混合建模结合了正向建模与逆向建模的优势，将产品经过三维扫描，获得点云数据，对工件进行对齐、封装、修复、填充等处理建立网格面模型，然后经过特征提取，草图设计，定位对齐等来正向设计，以此获得CAD模型。对模型分析后看是否满意，如满意就可加工模型，获得新的模型。反之，再次进行正向设计。具体的流程图如图3。

图3　混合建模设计流程

本文基于现有产品的混合建模是从正逆向混合建模设计的角度分析零件的模型，根据零件外形的几何特征对零件的点云数据进行分区，将几何特征明显部分的设计参数提取出来用于再设计,自由曲面部分提取出关键曲线进行蒙皮等，充分发挥正向设计和逆向设计各自的优势特点重构CAD模型，使其尽可能符合产品原来的设计意图和造型方法，并可实现参数化设计。其核心思想是将正向设计中的特征提取、约束技术引入到逆向CAD建模，通过正向混合建模设计的角度对零件进行建模与分析。

混合建模技术能够将产品的特征曲线曲面很好地表达以及重建，更加有效地反求出产品原始的设计意图；能够很好地处理特征曲面与自由曲面的重建问题；并且构建出来的CAD模型能够进行参数化修改，这将有利于产品的创新设计；对于那些由于磨损、断裂、腐蚀而损坏的零件，可以利用混合建模技术很好的对零件进行修复，还原出原始的CAD模型。

2Geomagic Design Direct的混合建模

2.1Geomagic Design Direct简介

Geomagic Design Direct 是由美国Geomagic公司开发的一款功能强大的计算机正逆向混合设计软件。Geomagic Design Direct从网格对象直接建模和抽取几何形状成CAD面和实体，是业界唯一一款结合了实时三维扫描、三维点云和三角网格编辑功能以及全面CAD造型设计、装配建模、二维出图等功能的三维设计软件[7]。

Geomagic Design Direct逆向设计的原理是用许多细小空间三角网格来逼近还原CAD实体模型。其曲面、实体重建流程最重要的阶段是捕获阶段和设计阶段，捕获阶段共享了Geomagic Studio中的点处理和多边形处理功能方法，而设计阶段则在多边形网格上进一步抽取成曲线、曲面或实体，最终建成CAD模型[8]。

2.2Geomagic Design Direct混合建模流程

本章提出基于实体特征识别及提取的正逆向建模方法，其基本思想是：首先对测量数据进行对齐、精简、光顺等预处理，以获取表面质量光顺的三角网格面模型；再从三角网格面模型中识别并提取实体特征，或提取实体特征(如旋转体)的二维截面线(旋转轴和母线)后应用正向建模的方法重构；然后对所有的实体特征进行布尔运算和参数化修改，以得到最终的实体模型并进行分析改进。该方法混合建模流程如图4所示。

图4　Geomagic Design Direct混合建模

3实例应用

以某品牌游戏手柄(图5所示)为例使用混合建模技术进行第二次创新。针对某一游戏手柄可能面临市场的淘汰风险，需要对其逆向设计与二次创新，有3个创新要求：①在原有的游戏手柄上增加视屏显示装置；②在原有的游戏手柄上设计辅助快捷按键；③为进一步适应手部舒适度，需要在手柄自由曲面上进一步改进。

图5　游戏手柄

在采集游戏手柄的数据时，由于单纯使用光学扫描仪数据来建立规格特征部分模型时，误差比较大，所以对规则部分(圆柱孔，槽等)使用CMM测量，进一步提高模型质量。即将游戏手柄使用光学扫描和三坐标测量两部进行数据采集，然后将光学扫描点云数据和三坐标测量特征参数两组数据分别建模，在相同的坐标系下进行数据对齐，布尔减运算等获得最终CAD模型,最后在模型的基础上进行再创新设计。

图6　手柄正逆向混合设计流程

3.1逆向设计

数据采集是逆向设计的重要部分。本文所使用测量设备是Hexagon公司的Romer Infinite 2.0系列关节臂和Perceptron公司的ScanWorks V4i激光扫描头，测量精度为0.024mm。扫描点云数据如图7所示。

图7　扫描点云

关节臂扫描仪采集的数据，经过多次多方位采集后，数据可能杂乱无序，甚至密度较大，分布不均匀，当数据密度很高时，采集到的数据中存在很多的冗余数据，严重影响效率。同时，由于环境和人为等因素的影响，数据中也存在一些噪音点。因此需要数据简化、降噪等处理[9]。处理后获得其网格面格式，如图8所示。

图8　网格面

游戏手柄网格面在Geomagic Design Direct中模型重构是整个设计的关键一步。在重构的过程中，将手柄分为两部分：自由曲面和规则特征。如图8所示游戏手柄左右手握部分是自由曲面部分，其他为规则特征。规则特征部分通过草绘、拉伸、布尔裁剪等操作可迅速建模。自由曲面部分通过“拟合自由”功能拟合出该区域形状分布的自由曲面，再经过曲面裁剪，拉伸曲面等操作得到自由曲面部分的实体。

3.2正向设计

游戏手柄的规则特征使用CMM测量结果见表1。

表1　CMM测量结果

其中，游戏手柄的槽是由一个方槽和两个半圆组合而成，方槽为长宽为6.7013×3.6098，圆直径为3.6002mm。

通坐标对齐[10]，布尔裁剪等操作获得原始模型。如下图9所示。

图9　最终游戏手柄原始模型

完成数据采集，数据处理，逆向建模等步骤后，紧接着根据设计需求在以上模型的基础上进行创新设计。分别在游戏手柄的正上方设计一个30×10mm的方槽放置显示屏幕。利用草图模式，在手柄右边曲面上正向设计1个方槽，大小为5×10mm。对于左右手柄的自由曲面，在其上正向设计直径为3mm的半球，来防止手握游戏手柄时滑动和对手部不适。设计最终产品见图10。

图10　混合建模设计产品

4结论

针对逆向工程建模中存在的问题，从新产品开发和创新角度出发，提出了将正向设计和逆向设计相结合的逆向工程CAD混合建模的方法。通过基于

Geomagic Design Direct软件的混合建模的方法对具有复杂曲面的零件进行模型重构,并在此基础上通过零件点云数据，模型重构与再创新。实验结果表明，通过正逆向混合建模的方法，能有效的提高二次创新效率和提高反求参数化的修改能力。

[参考文献]

[1] 成思源，洪树彬，杨雪荣. 逆向工程技术综合实践[M]. 北京:电子工业出版社，2010.

[2] 任国栋，孙文磊，谢元媛.风力发电机叶片正逆向混合重建的应用[J]. 机床与液压，2009，37(11)：182-184.

[3] 王群,李爱平,黄治钟.基于新产品开发中STL文件格式的二次设计[J].组合机床与自动化加工技术,2005(9):16-20.

[4] Haibin Zhao , Jean-Pierre Kruth, Nick Van Gestel, et al.Automated dimensional inspection planning using the combination of laser scanner and tactile probe[J]. Measurement, 2012(45)：1057-1066.

[5] 卞显虎.逆正向混合工程在重卡车身开发中的应用与研究[D].合肥:合肥工业大学,2012.

[6] 徐进.反求工程CAD混合建模中若干问题的研究[D]. 杭州:浙江大学,2009.

[7] 成思源,杨雪荣.Geomagic Design Direct逆向设计技术及应用[M].北京：清华大学出版社,2015.

[8] 林希玲,饶锡新,曹俊华.基于Geomagic的曲面重构方法研究[J].组合机床与自动化加工技术,2013(7)：28-30.

[9] 刘鹏鑫.基于光学扫描和CMM测量数据的模型重建关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[10] 王乔,杨雪荣,成思源,等.基于CMM和光学扫描的集成测量与混合建模[J].制造业自动化,2015,37(4)：84-87.

(编辑赵蓉)

The Innovative Design of Forward and Reverse Hybrid Modeling Based on Geomagic Design Direct

WANG Qiao, CHENG Si-yuan, YANG Xue-rong, ZHANG Xiang-wei , LV Se

( School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006,China )

Abstract：Hybrid modeling design is the combination of forward and reverse design, and this paper puts forward a new hybrid modeling method based on Geomagic Design Direct software. Through data collection, point cloud pretreatment, surface reconstruction, and then edit the surface, solid feature modeling and parametric modification to obtain the final CAD model..Taking gamepad model as an example, the powerful capability of Geomagic Design Direct is applied to complete the hybrid modeling and innovative design of parts’ point cloud data, which could realize the rapid reconstruction of gamepad, as well as the secondary innovation for products. The results show that the realization of hybrid modeling technology by Geomagic Design Direct software can contribute to innovative design of the original model efficiently.

Key words：reverse engineering; hybrid modeling; innovative design

文章编号：1001-2265(2016)05-0059-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.016

收稿日期：2015-06-29；修回日期：2015-07-26

*基金项目：广东省科技计划项目资助(2014A040401078，2013B061000006，2011A060901001)

作者简介：王乔(1989—)，男，湖北黄冈人，广东工业大学硕士研究生,研究方向为逆向工程及混合建模，(E-mail)915292378@qq.com。

中图分类号：TH166;TG659

文献标识码：A